Информационный научно-популярный портал
НАУКА в РФ и за рубежом
глазами блогера (работает с 01.09.2018, еженедельник, просмотров 194461)

Контакты (с 11 до 19): 8-903-899-44-37 Лилия или lili@k156.ru
на главную

РФ

Институты и конференции

Международные с РФ

Зарубежные

ВСЕ НОВОСТИ

Последние добавления

Все новости
(последние 10 )

2019-02-18
Фиксация темной материи - теория и практика
Подробнее

2019-02-17
НАСА купит места Союзах, снимает песчаные реки Марса и звезды, ищет недостающую материю
Подробнее

2019-02-17
Роскосмос: Открытие спутника «Ломоносов», инфраструктура для «Енисея» «Хаябуса-2», Юпитер в объективе «Юноны»
Подробнее

2019-02-16
Нейросеть создаёт фото несуществующих людей
Подробнее

2019-02-15
Психология в замкнутом пространстве в виртуальном полете на Луну
Подробнее

2019-02-12
Материалы наиболее эффективные для преобразования тепла
Подробнее

2019-02-11
Осцилляторную нейронную сеть научили распознавать образы
Подробнее

2019-02-08
международная экспедиция в пещерную систему Мчишта-Акшаша (Абхазия)
Подробнее

2019-01-29
Большие возможности мини-мозгов из стволовых клеток
Подробнее

2019-01-24
В межзвёздной среде обнаружили предшественника аденина
Подробнее

 

 

ТЕМЫ НОВОСТЕЙ:

2019-02-18 (№ 208)
Фиксация темной материи - теория и практика
ИТАЛИЯ, РОССИЯ, 18 февраля. ПОРТАЛ НАУКА РФ собрал несколько статей, описывающих поиски и попытки фиксации темной материи несколькими коллаборациями Италии, и новые теоретические разработки в Казани.

КАЗАНЬ 7 февраля. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое тёмная материя и почему большинство специалистов считает, что она состоит из неизвестных науке частиц.

Одним из перспективных кандидатов на эту роль являются аксионы, гипотетические сверхлёгкие частицы, способные взаимодействовать с фотонами. Эта гипотеза настолько популярна, что недавно был запущен сверхчувствительный детектор для их поиска.

Александр Балакин и Дмитрий Грошев из Казанского федерального университета предложили новый способ обнаружения аксионов. Их статья опубликована в журнале Physical Review D.

Как показано в предыдущих теоретических исследованиях, аксионы могут образовывать так называемые аксионные дионы. Такой объект обладает электрическим и магнитным полем, причём оба этих поля имеют одинаковую геометрию: силовые линии радиально расходятся во все стороны. Отметим, что в классической электродинамике существование дионов невозможно.

Балакин и Грошев рассчитали, как будут себя вести дионы в сильном магнитном поле, которое встречается у некоторых астрофизических объектов, например, у нейтронных звёзд. В частности, их интересовало, какое воздействие они окажут на космическую плазму (ионизированный газ).



Рассмотрим плазму из электронов и протонов. Как известно, протоны примерно в тысячу раз тяжелее электронов. Поэтому мощное гравитационное поле разделит частицы: протоны соберутся преимущественно внизу, а электроны наверху. При этом возникнет дополнительное электрическое поле, как всегда бывает при разделении разноимённых зарядов.

Если же плазма состоит из электронов и их античастиц позитронов, то гравитация не окажет такого влияния. В самом деле, масса электронов и позитронов одинакова, и сила тяжести не может их разделить.

К чему это мы? Как выяснили авторы, в присутствии аксионных дионов и сильного магнитного поля даже электрон-позитронная плазма разделяется на верхний и нижний слои с образованием дополнительного электрического поля.

Остаётся понять, как это должно повлиять на наблюдаемые свойства космических объектов.

"В данный момент наши усилия направлены на то, чтобы на основании теории сформулировать конкретные предложения, адресованные астрофизикам, для наблюдений, которые помогли бы обнаружить следы аксионов, оставленные в звёздной плазме, и, возможно, разгадать одну из главных загадок современной физики космоса – идентифицировать частицы, формирующие тёмную материю" – замечает Балакин.

К слову, ранее "Вести.Наука" писали о том, что озадачивающие астрономов быстрые радиовсплески могут оказаться взрывами "аксионных звёзд".



ТРУДНОСТИ С ФИКСАЦИЕЙ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ ОПИСАНЫ В СТАТЬЕ ИГОРЯ ИВАНОВА на сайте ЭЛЕМЕНТЫ



ФРАГМЕНТ:





Несмотря на то, что в 2018 году в физике элементарных частиц совсем ярких сенсаций не произошло, работа теоретиков и экспериментаторов была очень продуктивной. В первой части обзора основных результатов этого раздела физики мы говорили об успехах Большого адронного коллайдера, ситуации в исследованиях при низких энергиях и о планах по строительству новых установок. Во второй части обсуждаются главные достижения в физике нейтрино и результаты астрофизических наблюдений, полученные в прошедшем году.



Нейтрино

Нейтрино — уникальные частицы. Физика нейтрино отличается от исследований на коллайдерах не только предметом исследований, не только инструментарием, но и ожиданиями самих ученых. Если на коллайдерах эпоха гарантированных фундаментальных открытий закончилась и дальше мы исследуем микромир практически вслепую, то нейтринные исследования совершенно точно принесут ответы на целый список важных вопросов: каковы массы нейтрино, чему равны параметры смешивания, есть ли в нейтринном секторе CP-нарушение и насколько сильно оно, совпадают ли нейтрино со своими античастицами или нет (или, другими словами, майорановские это частицы или дираковские), существуют ли дополнительные типы нейтрино и каковы они. На все эти четко поставленные вопросы мы рано или поздно получим количественные ответы, надо лишь дальше развивать технику и методику эксперимента.

В последние годы из данных мало-помалу стали выкристаллизовываться ответы на некоторые из них (см., например, обзор arXiv:1708.01186). Ограничения сверху на массы усиливаются, данные отдают предпочтение так называемому нормальному, а не обратному порядку масс нейтрино, а также появляются все более четкие указания на довольно сильное CP-нарушение в нейтринном секторе. Кажется, что осталось немного надавить — и природа начнет давать ответы. В этом смысле физика нейтрино — беспроигрышная ставка: ближайшее десятилетие принесет громкие открытия, а может быть, и новые Нобелевские премии (в 2015 году, напомним, Нобелевская премия была вручена за экспериментальное открытие осцилляций нейтрино).

Из всей богатой программы нейтринных исследований можно выделить самые запомнившиеся результаты 2018 года. В июне на крупнейшей конференции по физике нейтрино были представлены новые результаты эксперимента NOvA (см. подробную новость Эксперимент NOvA получил первые — и неожиданные — результаты с пучком антинейтрино). Были улучшены измерения параметров смешивания, подтверждено, что данные отдают предпочтение нормальному порядку нейтринных масс, а также была сделана попытка измерить эффекты CP-нарушения. Дело в том, что этот эксперимент может работать в двух режимах, переключаясь с нейтрино на антинейтрино и обратно, и это позволяет ему увидеть разницу в поведении частиц и античастиц. К своему удивлению, экспериментаторы обнаружили, что данные намекают на совсем иную величину CP-нарушения, чем та, что получалась в других экспериментах. Пока что погрешности велики, так что ни о каком серьезном парадоксе пока речи не идет, но в будущем придется разобраться с этим намеком на расхождение. Так или иначе, ответ на этот и многие другие вопросы будет получен в следующем десятилетии, когда заработают грандиозные нейтринные установки Hyper-Kamiokande и DUNE (рис. 1).

Еще большую загадку предъявили физикам обнародованные в мае 2018 года данные эксперимента MiniBooNE. История эта тянется еще с начала 2000-х, когда эксперимент LSND по результатам многолетних наблюдений обнаружил довольно сильный намек на осцилляции электронных антинейтрино в мюонные на дистанции всего в десятки метров. Для энергий нейтрино в десятки МэВ это необычно короткая дистанция, и с тремя известными сортами нейтрино так получиться не могло. Отчаянные оптимисты воспринимали эти данные как намек на новый, четвертый тип нейтрино, а пессимисты списывали все на несовершенство эксперимента. Эксперимент MiniBooNE как раз был призван окончательно разобраться с загадкой LSND. В первых данных, опубликованных в 2009 году, действительно обнаружилось отклонение от обычной схемы с тремя нейтрино, но не слишком статистически значимое и не совсем такое, как получилось у LSND. Что ж, с проблемой надо было разбираться, поэтому экспериментаторы обновили установку, накопили уже в десять раз больше данных и в 2018 году обновили результаты. Отклонение сохранилось и окрепло (рис. 2); его статистическая значимость составила полновесные 4,7?. Хотя оно не такое же, как у LSND, эти две аномалии удается «поженить» друг с другом подбором параметров, и тогда их суммарная статистическая значимость достигает сногсшибательных 6?. Звучит как открытие года!





ИЗЛОЖЕНИЕ ЭТИХ СОБЫТИЙ С ОБЪЯСНЕНИЯМИ АЗОВ ДЛЯ ПОНИМАНИЯ СТАТЬИ, ЕСЛИ ОНА СЛОЖНА ДЛЯ ВОСПРИЯТИЯ НА НАШЕМ САЙТЕ В РАССКАЗЕ ЕВГЕНИЯ ШИХОВЦЕВА

ФРАГМЕНТ:

Читая замечательный обзор Игоря Иванова о резонансных открытиях в физике элементарных частиц за 2018 год*, я в его подаче по-иному увидел два факта, о которых уже раньше читал в других дайджестах. Точнее, увидел не просто сами факты, а возможную химию между ними. И не только в современном значении, применяемом к отношениям, но и в самом буквальном химическом смысле.

____________ * И. Иванов. Физика элементарных частиц в 2018 году. Часть 2 [https://elementy.ru/novosti_nauki/433403/Fizika_elementarnykh_chastits_v_2018_godu_Chast_2].

Первый из них, как легко понять, касался новых данных из лабораторий, занятых поисками тёмной материи. Здесь надо пояснить, как её ищут в земных условиях. С одной стороны, она потому и названа тёмной, что никак, кроме гравитации, с привычным нам веществом не взаимодействует. Но с другой стороны, мы все вышли из одной прасреды Большого Взрыва, и эту общность, хочется верить, никакими последующими расширениями и охлаждениями Вселенной до конца вытравить невозможно. Если приложить побольше энергии (или проявить побольше терпения), то можно засечь взаимодействие практически любого А с любым Б, какими бы разностильными они не были в обычных условиях. А когда речь идёт об элементарных частицах, помогают ещё и их чудесные квантовые свойства, такие как размытость в пространстве-времени, способность непонятно как просачиваться (туннелировать) через всякие запрещающие энергетические барьеры и т. п. На это и уповают учёные. Правда, приложить энергию к тёмной материи по понятным причинам не получается, поэтому им остаётся второй путь – запасаться терпением и верой в то, что:

а) частицы тёмной материи (ТМ), пусть очень-очень слабо и очень-очень редко, но взаимодействуют с частицами обычного вещества; б) это взаимодействие имеет какой-то энергетический эффект, который либо сразу, либо через какие-то промежуточные стадии выражает себя фотоном либо его звуковым аналогом – фононом;

в) и квантовые свойства частиц этому помогают.

А далее всё довольно похоже на поиски другой трудноуловимой частицы, но из области обычного вещества, – нейтрино. Так же тщательно изолируют установку от космических лучей и земных источников излучений; так же окружают датчиками некое рабочее тело; так же годами и десятилетиями ловят вспышки или акустические сигналы и ищут в них те, которые не удаётся объяснить никакими известными механизмами. (Последнее похоже и на поиски сигналов от внеземных цивилизаций или на отсев сырой массы свидетельств об НЛО, кстати.) Чаще всего ищут в сигналах сезонную составляющую. Она берётся не столько из тёмной материи, сколько из обычной. Тёмная материя в нашем краю Галактики предположительно не имеет выделенного направления движения, скорость её частиц с равной вероятностью может быть направлена в любую сторону, если систему координат поместить в центр Галактики. А вот Земля, где расположена лабораторная установка, вращается вокруг Солнца, а то – вокруг галактического центра, и в итоге по отношению к центру Галактики (и, следовательно, по отношению к частицам ТМ) детектор 2 июня каждого года движется на 5–7% быстрее, чем в противофазе, 2 декабря.* Чем больше относительная скорость детектора и частиц ТМ, тем выше кинетический эффект при столкновении, тем чаще срабатывает детектор. На этой июньско-декабрьской разнице числа срабатываний (она есть и между двумя любыми датами, просто амплитуда разницы на более коротком промежутке наблюдений будет синусоидально меньше) и зиждутся надежды. Есть статистически надёжная сезонная синусоида – ура, ТМ найдена! И, соответственно, наоборот.

____________

* А. В. Лукьяшин. Детекторы для регистрации частиц корпускулярной темной материи на основе благородных (инертных) газов [http://nuclphys.sinp.msu.ru/bm/bm10.htm].

Замеряется не только число сигналов, но и их энергия. Число сигналов связано с так называемым сечением взаимодействия. Это мера склонности к данному взаимодействию. У неё есть наглядный физический смысл: это как бы площадь поперечного сечения частицы ТМ, непрозрачная для вещества детектора в условиях данного эксперимента. Непрозрачная – в том смысле, что, попав в эту область, ядро детектора прореагирует (так или иначе) с частицей ТМ. Представьте, что ядра детектора – это кегли боулинга, а частица ТМ – шар. Ясно, что чем больше диаметр шара, тем больше выбьется страйков. Правда, и чем толще кегли, тем больше будет страйков, поэтому для сопоставимости всё пересчитывают на «стандартную кеглю» – на один нуклон ядра (нейтрон или протон). Такое стандартизированное число столкновений уже точно зависит только от диаметра шара, или, отставив лирику, от поперечного сечения частицы ТМ.

А энергия столкновения, если есть теоретические соображения о распределении взаимных скоростей сталкивающихся частиц (а у теоретиков такие соображения для ТМ есть во множестве), по известным формулам кинетической энергии ведёт нас к оценке массы частиц ТМ (там не всё так уж прямолинейно, но нам сейчас главное схватить общий смысл). Итак, если сезонная синусоида и её энергетические и частотные характеристики выявлены, то можно сделать определённые оценки и масс и размеров (сечений столкновения) частиц ТМ. А если не обнаружено ничего такого, то можно соответствующую область масс и размеров вычеркнуть. После обработки данных методами математической статистики, из них извлекается Истина в виде, как обычно принято, графика, где по одной оси откладывают значения массы частиц ТМ, а по другой оси – их сечений столкновения (стандартизированных на 1 нуклон). Эти графики имеют вид кривых U-образной формы, отсекающих невозможную верхнюю область от вероятной (пока) нижней области. Если кроме этой кривой ничего на графике нет, значит, опыт дал отрицательный результат (который в науке, как известно, тоже результат!). В данном случае результатом может стать вычёркивание всех теорий, где авторы предлагают для ТМ такие массы и сечения взаимодействия с обычным веществом, которые попадают в область над кривой. Правда, она не столько кривая, сколько «туманная траектория» кривой. Ведь в экспериментальной науке всё измеряется с какой-то неизбежной погрешностью, а у элементарных частиц ещё и квантовая размытость добавляется. Поэтому всякий результат учёные формулируют не по-школьному, скажем, в виде «Х = 8,5», а более корректно: «с вероятностью 90%, Х = 8,5±0,1; с вероятностью 95%, Х = 8,5±0,2; с вероятностью 99%, Х = 8,5±0,4; ...» и т. п. Чем выше статистическая надёжность результата (т. е. его вероятность), тем, увы, шире и зона погрешности для него в той же самой серии опытных данных.

Поэтому на графиках кривые превращаются в набор полосок, тем шире, чем выше будет их статистическая надёжность. Если ширина оказывается слишком большой, надо ставить новые опыты, снижать фоновые и прочие погрешности, добавлять статистику, обрабатывать расширенную базу данных и только так приходить к новой серии статистических полосок, но уже более узких. Я в простом примере выше надёжность указывал в процентах, но у учёных есть для этого специальная статистическая величина, именуемая ? (сигма; мы не будем здесь её расшифровывать, желающие могут почитать в Википедии или ещё где-нибудь). Обычно к научной публикации принимают результаты, надёжность которых достигает трёх ? (это означает, что результат на 99,7% закономерен, и лишь на 0,3% может быть причудой каких-то случайных фоновых эффектов). Но, если опыты трудны, статистика скудна, копить её приходится годами и десятилетиями (а в поисках ТМ всё так и есть), то в виде некоторого исключения могут принять и результаты с надёжностью два ? (здесь вероятность закономерности равна 95%, а на долю случайного совпадения остаётся 5%), а то даже и меньше. Это стоит запомнить для дальнейшего чтения.

Итак, если никаких сигналов, которые могли бы указывать на след ТМ, не найдено, то результатом будет некоторое опускание граничной кривой (или серии полосок), означающее очередное сужение области возможностей за счёт расширения области невозможностей. До бесконечности этот процесс идти не может, потому что снизу (и на сегодняшний день не так уж далеко, примерно в расстоянии половины от уже пройденного экспериментаторами пути) есть похожая граница, за которой начинаются вспышки от взаимодействия нейтрино с веществом детектора. Нейтрино пронизывают любую защиту, они вездесущи, и в любой установке по поиску вспышек от частиц ТМ мишень невозможно экранировать от нейтрино. Так что, когда ТМ-кривые начнут упираться в нейтринные кривые, экспериментаторам придётся решать очень непростой вопрос, как же там отделять нейтринные вспышки от потенциальных ТМ-вспышек. Потому что сезонный фактор у нейтрино присутствует по тем же самым соображениям, как для ТМ. Но эти проблемы – дело будущего, и здесь мы в них вдаваться не будем.

Если же серия опытов обнаружила вспышку или несколько от взаимодействия частиц ТМ с мишенью, то на графике появится в должном месте некое пятнышко или серия пятнышек, формы и площади которых зависят от достигутого в серии опытов ? так же, как и граничные кривые, то есть чем больше надёжность (?), тем больше и пятнышко. Вот пример и граничных запрещающих линий, и пятен-находок, и сигм:





Данные эксперимента CRESST (рис. из статьи Л. Ю. Овчинниковой Детекторы для регистрации темной материи на основе сцинтилляционных кристаллов и низкотемпературных болометров [http://nuclphys.sinp.msu.ru/bm/bm09.htm], оригинал ? в статье G. Angloher, et al. [arXiv:1109.0702v1]).

Источник

 

Сайты партнеры

 

 

Фантастика
детектив

 

 

Неоднозначное мироздание

 

costroma.k156.ru

 

 

 

(с) ООО "Новый город".
Создание сайта - веб студия Новый город